حل درس نظرية الكم والذرة علوم 9

حل درس نظرية الكم والذرة علوم 9 

نظرية الكم والذرة 

نموذج بور للذرة 

فسر النموذج المزدوج موجة – جسيم الخاص بالضوء عدة ظواهر لم يكن من الممكن تفسيرها من قبل، ولكن لا يزال العلماء لا يفهمون العلاقات بين البنية الذرية والإلكترونات وطيف الأنبعاث الذري. تذكر أن طيف انبعاث الهيدروجين منفصل، أي أنه يتكون فقط من ترددات ضوئية محددة. ما السبب الذي يجعل طيف الأنبعاث الذري للعناصر منفصًالا بدًالا من أن يكون متصًلا ؟ اقترح عالم الفيزياء الدنماركي لذرة الهيدروجين يبدو أنه كمي نيلز بور، الذي كان يعمل في مختبر رذرفورد عام 1913 ،نموذج يجيب على هذا السؤال. كما تنبأ نموذج بور أيضا بشكل صحيح بترددات الخطوط الموجودة في طيف الأنبعاث الذري للهيدروجين.

حالات الطاقة لذرة لهيدروجين:حالات الطاقة لذرة الهيدروجين: بناء على تصورات بالنك وأينشتاين للطاقة الكمية أن ذرة الهيدروجين لها حالات طاقة محددة مسموح بها. أقل حالة طاقة مسموح بها للذرة تسمى الحالة الأرضية حين تكتسب الذرة الطاقة، يقال أنها في حالة مستثارة. ربط بور أيضا حالات الطاقة لذرة الهيدروجين باالألكترون داخل الذرة وقد اقترح أن الإلكترون في ذرة  الهيدروجين يتحرك حول النواة في مدارات دائرية محددة مسموح بها فقط. كلما صغر مدار الإلكترون كلما كانت حالة الطاقة للذرة أو مستوى الطاقة أقل. وعلى العكس، كلما ازداد حجم مدار الإلكترون كلما كانت حالة الطاقة للذرة أو مستوى الطاقة أعلى. ومن ثم، يمكن أن يكون لذرة الهيدروجين عدد حالات مستثارة على الرغم من أنها تحتوي على الكترون واحد فقط .وحتى يكمل حساباته،حدد بور عدد  n ،يسمى رقم الكم لكل مدار. كما قام أيضا بحساب نصف قطر كل مدار.  بالنسبة للمدار الأول، أقرب المدارات للنواة ، 1 = n وقطر المدار 0.0529mn بالنسبة للمدار الثاني  2 = n ونصف قطر المدار المدار هو 0.121mn وما إلى ذلك.

طيف الانبعاث الخطي لذرة الهيدروجين : قترح بور أن ذرة الهيدروجين توجد في الحالة الأرضية وتسمى أيضا مستوى الطاقة الأول، حين يكون الإلكترون الوحيد لها في مستوى الطاقة 1 = n في الحالة الدنيا لا تنبعث أي طاقة من الذرة  حين تضاف الطاقة من مصدر خارجي  ينتقل الإلكترون لمستوى  طاقة أعلى مثل مستوى الطاقة 2 = n انتقال الإلكترونات هذا  يجعل الذرة في حالة مستثارة حين تكون الذرة مستثارة.مكن أن يسقط الإلكترون من  المستوى ذو الطاقة الأعلى إلى مستوى طاقة أقل نتيجة لهذا الانتقال، ينبعث من الذرة فوتون يتطابق مع الفرق في الطاقة بين المستويين .

قصور نموذج بور: شرح نموذج بور الخطوط الطيفية الملحوظة للهيدروجين. ومع ذلك فقد فشل النموذج في شرح طيف أي عنصر آخر. كما أن نموذج بور لم يفسر السلوك الكيميائي للذرات. في الواقع، على الرغم من أن فكرة بور بشأن مستويات الطاقة الكمية قد مهدت طرح فكرة النماذج الذرية فيما بعد فقد أوضحت التجارب الأخيرة أن نموذج بور لم يكن صحيحا في الأساس فحركات الإلكترونات في الذرات غير مفهومة بشكل تام حتى الأن، ومع ذلك يشير الدليل الجوهري إلى أن الإلكترونات لا تتحرك حول النواة في مدارات دائرية .

النموذج الميكانيكي الكمي للذرة :صاغ العلماء في منتصف عشرينيات القرن العشرين الذين كانوا مقتنعين حينها بأن نموذج بور الذري كان خاطئا تفسيرات جديدة ومبتكرة حول كيفية ترتيب افلكترونات في الذرات. عام1924 اقترح طالب جامعي فرنسي تخرج في الفيزياء يدعى لويس دي بروغلي فكرة استطاعت فيما بعد أن تفسيرات مستويات الطاقة الثابتة لنموذج بور .

الإلكترونيات كموجات :ظل دي بروغلي يفكر في أن مدارات الإلكترون الكمية لبور لها مواصفات شبيهة بمواصفات الموجات. على سبيل المثال  كما يتضح من الشكلين 13أ و13ب فإن مضاعفات نصف الأطوال الموجية فقط هي المطلوبة من أجل وتر قيثارة تم اقتلاعه لأن الوتر مثبت من كلا الطرفين. وبالمثل فقد رأى دي بروغلي أن الأعداد الفردية فقط لأطوال الموجية هي المسموح بها في مدار دائري ذو نصف قطر ثابت، كما يتضح من الشكل 13ج. كما أشار أيضا إلى حقيقة أن الضوء الذي كان ُيعتقد بكل قوة في فترة ما أنه ظاهرة موجبة يمتلك مواصفات كلا من الموجه والجسيم هذه الأفكار قادت دي بروغلي لطرح سؤال جديد إذا كان يمكن لألمواج أن تسلك سلوك الجسيمات هل يمكن أن يكون العكس صحيحا هل يمكن لجسيمات المادة، بما في ذلك إلإلكترونات أن تتصرف كالموجات .

معادلة دي بروغلي :تتنبأ معادلة دي بروغلي بأن جميع الجسيمات المتحركة تتمتع بمواصفات موجبة. كما أنها تشرح أيضا سبب استحالة ملاحظة الطول الموجي لسيارة تتحرك بسرعة. فالسيارة التي تتحرك بسرعة  25 m/s،  وتبلغ كتلتها 910kg يكون طول موجي× 10-38 m  وهو طول الموجي  صغير للغاية بحيث لا يمكن رؤيته أو الكشف عنه. على النقيض، فإن الألكترون الذي يتحرك بنفس السرعة يكون له طول موجي يسهل حسابهوقد أوضحت التجارب  الاحقة أن الإلكترونات والجسيمات المتحركة الأخرى لها في الواقع مواصفات موجبة بالفعل. عرف دي بروغلي أنه إذا كان لإللكترون حركة تشبه الموجة، وأنه ينحصر في مدارات دائرية أو ذات نصفُ قطر ثابت فانه يحتمل وجود أطوال موجبة وترددات وطاقات محددة. وبتطوير فكرته، استنتج  دي بروغلي المعادلة العلاقة بين الجسيم والموجة الكهرومغناطيسية λ =h/mv .

مبدأ الشك لهايزنبرج :خطوة بخطوة استطاع علماء مثل ردرفورد وبور ودي بروغلي فك غموض الذرة  ومع ذلك، فالنتيجة التي توصل عالم الفيزياء النظرية الألماني ورنر هايزنبرج أثبتت أن لها ثلاث نماذج عميقة على نماذج الذرة قد أوضح هايزنبرج أنه من المستحيل أخذ قياسات أي جسم دون إحداث اضطراب فيه تخيل بأ|نك تحاول تحديد موضع بالون متأرجح مملوء بالهيليوم في غرفة مظلمة إذ لوحت بيدك يمكنك أن تدد موقع البالون حين تلمسه ومع ذلك حين تلمس البالون فـنك تنقل إليه الطاقة وتنقل موضعه يمكنك أيضا التنبؤ بموقع البالون عن طريق إضاءة كشاف باستخدام هذه الطريقة تصل فوتونات الضوء المنعكسة من البالون إلى عينيك وتكشف عن موقع البالون ونظرا لأن البالون كبير الحجم يمكن رؤيته بالعين المجردة فأن تأثير الفوتونات المرتدة على موقعه يكون صغير جدا وغير ملحوظ.

معادلة شرودنجر للموجات: توسع الفيزيائي النمساوي إيروين شرودنجر (1887-1961 )في عام1926 في نظرية الموجة-الجسيم التي اقترحها دي بروغلي. اشتق شرودنجر معادلة تتعامل مع الكترون ذرة الهيدروجين كموجة. وقد بدا النموذج الجديد لشرودنجر بالنسبة لذرة الهيدروجين مناسب للتطبيق بشكل جيد على ذرات عناصر أخرى- وهو ما فشل فيه بور. النموذج الذري  الذي يتم فيه التعامل مع اإلإلكترونات كموجات يسمى النموذج الميكانيكي الموجي للذرة أو النموذج الميكانيكي الكمي للذرة. وكنموذج بور، يضع نموذج ميكانيكية الكم حدا لطاقة الألكترون بقيم محددة  ومع ذلك، على عكس نموذج بور لا يحاول نماذج ميكانيكية الكم أن يصف مسار الالكترون حول النواة .

الموقع المحتمل لإلكترون: تتنبأ دالة الموجة بمنطقة ثلاثية الأبعاد حول النواة تسمى الفلك الذري وهو الذي يصف الموقع المحتمل لإلكترون. يمكن تشبيه الفلك الذري بسحابة ضبابية تتناسب فيها الكثافة في نقطة محددة مع احتمالية العثور على الإلكترون في هذه المنطقة يوضح الشكل 15أ  خريطة الكثافة الإلكترونية التي تصف الإلكترون في حالة الطاقة المنخفضة للذرة يمكن اعتبارا  خريطة الكثافة الإلكترونية صورة لحظية لإلكترون الذي يتحرك حول النواة، والذي تمثل فيه كل نقطة موقع الألكترون في لحظة زمنية. تشير الكثافة العالية للنقاط بالقرب من النواة إلى أكثر موقع محتمل للألكترون ومع ذلك ونظرا لأن السحابة ليس لها حد معين، فمن الممكن أيضا العثورعلى الألكترون على مسافة هائلة من النواة .